Nanostruktureret gate-dielektrisk booster stabiliteten af ​​organiske tyndfilmstransistorer

Et nanostruktureret gate-dielektrikum kan have adresseret den væsentligste hindring for at udvide brugen af ​​organiske halvledere til tyndfilmstransistorer. Strukturen, sammensat af et fluorpolymerlag efterfulgt af et nanolaminat lavet af to metaloxidmaterialer, fungerer som gate-dielektrisk og beskytter samtidig den organiske halvleder – som tidligere havde været sårbar over for skader fra det omgivende miljø – og gør det muligt for transistorerne at fungere med hidtil uset stabilitet.

Den nye struktur giver tyndfilmstransistorer stabilitet, der kan sammenlignes med dem, der er fremstillet med uorganiske materialer, giver dem mulighed for at fungere under omgivende forhold – selv under vandet. Organiske tyndfilmstransistorer kan laves billigt ved lav temperatur på en række fleksible substrater ved hjælp af teknikker såsom inkjet-print, potentielt åbne nye applikationer, der udnytter enkle, additive fremstillingsprocesser.

"Vi har nu bevist en geometri, der giver livstidsydelse, der for første gang fastslår, at organiske kredsløb kan være lige så stabile som enheder fremstillet med konventionelle uorganiske teknologier, sagde Bernard Kippelen, Joseph M. Pettit professor ved Georgia Tech's School of Electrical and Computer Engineering (ECE) og direktør for Georgia Tech's Center for Organic Photonics and Electronics (COPE). "Dette kunne være vendepunktet for organiske tyndfilmstransistorer, adressering af langvarige bekymringer om stabiliteten af ​​organisk-baserede printbare enheder."

Forskningen blev rapporteret 12. januar i tidsskriftet Videnskabens fremskridt . Forskningen er kulminationen på 15 års udvikling inden for COPE og blev støttet af sponsorer, herunder Office of Naval Research, luftvåbnets kontor for videnskabelig forskning, og National Nuclear Security Administration.

Transistorer består af tre elektroder. Kilde- og drænelektroderne sender strøm for at skabe "tændt" tilstand, men kun når en spænding påføres portelektroden, som er adskilt fra det organiske halvledermateriale af et tyndt dielektrisk lag. Et unikt aspekt af arkitekturen udviklet på Georgia Tech er, at dette dielektriske lag bruger to komponenter, en fluorpolymer og et metaloxidlag.

"Da vi først udviklede denne arkitektur, dette metaloxidlag var aluminiumoxid, som er modtagelig for beskadigelse fra fugt, " sagde Canek Fuentes-Hernandez, seniorforsker og medforfatter til papiret. "At arbejde i samarbejde med Georgia Tech Professor Samuel Graham, vi udviklede komplekse nanolaminatbarrierer, som kunne fremstilles ved temperaturer under 110 grader Celsius, og som når de blev brugt som gate-dielektriske, gjorde det muligt for transistorer at opretholde at blive nedsænket i vand nær dets kogepunkt."

Den nye Georgia Tech-arkitektur bruger skiftende lag af aluminiumoxid og hafniumoxid – fem lag af et, derefter fem lag af den anden, gentaget 30 gange oven på fluorpolymeren - for at lave dielektrikumet. Oxidlagene fremstilles med atomisk lagaflejring (ALD). Nanolaminatet, som ender med at blive omkring 50 nanometer tyk, er praktisk talt immun over for virkningerne af fugt.

"Selvom vi vidste, at denne arkitektur gav gode barriereegenskaber, vi blev blæst bagover af, hvor stabilt transistorer fungerede med den nye arkitektur, " sagde Fuentes-Hernandez. "Ydeevnen af ​​disse transistorer forblev stort set uændret, selv når vi brugte dem i hundredvis af timer og ved forhøjede temperaturer på 75 grader Celsius. Dette var langt den mest stabile organisk baserede transistor, vi nogensinde havde fremstillet."

Til laboratoriedemonstrationen, forskerne brugte et glassubstrat, men mange andre fleksible materialer – herunder polymerer og endda papir – kunne også bruges.

I laboratoriet, forskerne brugte standard ALD-vækstteknikker til at fremstille nanolaminatet. Men nyere processer kaldet rumlig ALD - ved at bruge flere hoveder med dyser, der leverer prækursorerne - kunne accelerere produktionen og tillade enhederne at blive skaleret op i størrelse. "ALD har nu nået et modenhedsniveau, hvor det er blevet en skalerbar industriel proces, og vi tror, ​​at dette vil tillade en ny fase i udviklingen af ​​organiske tyndfilmstransistorer, " sagde Kippelen.

En oplagt applikation er til transistorerne, der styrer pixels i organiske lysemitterende skærme (OLED'er), der bruges i enheder som iPhone X og Samsung-telefoner. Disse pixels styres nu af transistorer fremstillet med konventionelle uorganiske halvledere, men med den ekstra stabilitet, som det nye nanolaminat giver, de kunne måske laves med printbare organiske tyndfilmstransistorer i stedet for.

Internet of things (IoT)-enheder kunne også drage fordel af fabrikation muliggjort af den nye teknologi, tillader produktion med inkjet-printere og andre billige print- og belægningsprocesser. Nanolaminatteknikken kunne også tillade udvikling af billige papirbaserede enheder, såsom smarte billetter, der ville bruge antenner, displays og hukommelse fremstillet på papir gennem lavprisprocesser.

Men de mest dramatiske applikationer kunne være i meget store fleksible skærme, der kunne rulles sammen, når de ikke er i brug.

"Vi vil få bedre billedkvalitet, større størrelse og bedre opløsning, " sagde Kippelen. "Når disse skærme bliver større, den stive formfaktor for konventionelle skærme vil være en begrænsning. Kulstofbaseret teknologi med lav behandlingstemperatur gør det muligt at rulle skærmen sammen, gør den nem at bære rundt på og mindre modtagelig for skader.

Til deres demonstration, Kippelens team – som også omfatter Xiaojia Jia, Cheng-Yin Wang og Youngrak Park – brugte en model af organisk halvleder. Materialet har velkendte egenskaber, men med transportørmobilitet er værdier på 1,6 cm2/Vs ikke den hurtigste tilgængelige. Som et næste skridt, de forskere vil gerne teste deres proces på nyere organiske halvledere, der giver højere ladningsmobilitet. De planlægger også at fortsætte med at teste nanolaminatet under forskellige bøjningsforhold, over længere perioder, og i andre enhedsplatforme såsom fotodetektorer.

Selvom den kulstofbaserede elektronik udvider deres enhedskapacitet, traditionelle materialer som silicium har intet at frygte.

"Når det kommer til høje hastigheder, krystallinske materialer som silicium eller galliumnitrid vil helt sikkert have en lys og meget lang fremtid, " sagde Kippelen. "Men for mange fremtidige trykte ansøgninger, en kombination af den nyeste organiske halvleder med højere ladningsmobilitet og nanostruktureret gate-dielektrik vil give en meget kraftfuld enhedsteknologi."